DE2717762C2 - Ventilgesteuerte, mit Fremdzündung und Gemischverdichtung arbeitende Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine ventilgesteuerte, mit Fremdzündung und Gemischverdichtung arbeitende Brennkraftmaschine mit im Zylinderkopf eingesetzter Zündkammer gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Patentanspruch 1 ist durch die DE-AS 24 08 128 bekannt. Bei einer solchen Brennkraftmaschine wird das Gemisch im Brennraum nicht unmittelbar durch die Zündkerze gezündet, sondern durch eine Stichflamme bzw. Flammenfackel, die durch den Flammenkanal in den Brennraum schlägt. Dadurch ist es möglich, auch magere Luft-Kraftstoff-Gemische im Brennraum zuverlässig zu zünden und zur Verbrennung zu bringen, wobei der Betrieb der Brennkraftmaschine mit magerem Luft-Kraftstoff-Gemisch wiederum den Vorteil hat, daß geringer Schadstoffanteil im Abgas erreichbar ist

Bei gemischverdichtenden Brennkraftmaschinen mit einer solchen Zündkammer besteht grundsätzlich das Problem, den Bereich der Zündkerzenelektroden von Abgasresten zu befreien, damit die Zündung des Gemisches in der Zündkammer nicht durch Abgasreste beeinträchtigt ist. Bei der bekannten Brennkraftmaschine ist zur Behebung dieser Schwierigkeit außer dem ersten Flammenkanal ein zweiter Flammenkanal vorgesehen, so daß die Zündkammer von Gemisch, das durch den ersten Flammenkanal eintritt und durch den zweiten Flammenkanal austritt, gespült werden kann. Das eintretende Gemisch wird dabei vom Wandteil auf die Zündkerze gelenkt Die Zündkammer und ihre beiden Flammenkanäle sind dem Einlaßventil des Zylinders räumlich so zugeordnet, daß bei geöffnetem Einlaßventil während des Saugtaktes zwischen den Mündungen der beiden Flammenkanäle ein Druckunterschied derart besteht, daß frisches Gemisch durch die Zündkammer gesaugt wird. Insbesondere das in die Saugkammer gesaugte Gemisch ist durch zusätzliche Kraftstoffeinspritzung angereichert

Bei der bekannten Brennkraftmaschine ist somit in nachteiliger Weise eine bestimmte Zuordnung der Zündkammer zum Einlaßventil notwendig. Ein weiterer Nachteil der bekannten Brennkraftmaschine besteht darin, daß die Flammenfackel nur während verhältnismäßig kurzer Zeit andauert, obwohl eine lange brennende Flammenfackel zweckmäßiger wäre, damit dem Gemisch im Brennraum möglichst viel Zündenergie zugeführt wird.

Es ist ferner eine mit Selbstzündung und Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum arbeitende Brennkraftmaschine bekannt (US-PS 19 07 095), die eine mit dem Brennraum verbundene Vorkammer aufweist, in die der Kraftstoff eingespritzt wird. In der Vorkammer befindet sich ein im wesentlichen zylindrischer Einsatz, der einen zu in den Brennraum mündenden Öffnungen führenden Kanal umgibt und zusammen mit der zylindrischen Umfangswand der Vorkammer weitere Kanäle begrenzt, die durch Öffnungen in Verbindung mit dem zentralen, vom Einsatz umgebenen Kanal stehen. Die Einspritzdüse ist am vom Brennraum abgewandten Ende des Einsatzes angeordnet. Diese Vorkammerausbildung soll dafür sorgen, daß dann, wenn Kraftstoff mittels der Einspritzdüse eingespritzt wird, im zentralen Kanal ein überfetter Kraftstoffnebel entsteht und in den äußeren Kanälen ein zündfähiges Gemisch entsteht, das durch Selbstzündung entflammt und durch die Öffnungen in den Kraftstoffnebel schlägt, so daß dieser in den Brennraum gedrückt wird. Mit der Bereitstellung frischen Gemisches an Zündkerzenelektroden hat diese bekannte Vorkammerausbildung nichts zu tun.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer gattungsgemäßen Brennkraftmaschine die Zündwilligkeit in der Zündkammer zu verbessern, ohne daß dies von einer bestimmten Zuordnung der Zündkammer zum Einlaßventil abhängt, und zugleich für eine möglichst lang andauernde und somit wirkungsvolle Flammenfakkel zu sorgen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil von Patentanspruch 1 gelöst.
Die Brennkraftmaschine weist in der Zündkammer

einen in der Flammenkanalachse liegenden ersten Kanal, der zu den Zündkerzenelektroden gerichtet ist, sowie weitere, den ersten Kanal umgebende Kanäle auf. An beiden Zündkammerböden münden die Kanäle jeweils in einen freien Raum. Während des Verdichtungstaktes wird aus dem Brennraum frisches Gemisch durch den Flammenkanal in die Zündkammer gedrückt Dieses frische Gemisch strömt zunächst hauptsächlich durch den ersten Kanal zu den Zündkerzenelektroden, so daß der Bereich der Zündkerzeneleklroden vom Restgas fiwgespült wird. Darüberhinaus strömt das frische Gemisch durch die beiden freien Räume aber auch in die weiteren Kanäle und bildet dort zusammen mit dem Restgas eine brennbare Mischung. Der Bereich der Zündkerzenelektroden wird somit freigespült, ohne daß die Zündkammer durchströmt wird und ohne daß eine bestimmte Zuordnung zum Einlaßventil notwendig ist, da die Füllung und Spülung der Zündkammer während des Verdichtungstaktes erfolgt und somit unabhängig von den Einströmverhältnissen während des Saugtaktes ist.

Da die Zündkerzenelektroden frisches Gemisch umgibt, kann dieses Gemisch durch die Zündkerze zuverlässig gezündet werden. Durch die Zündung entsteht eine Primärflamme, die sich einerseits im ersten Kanal mit hoher Geschwindigkeit und andererseits auch zu der brennbaren Mischung in den weiteren Kanälen ausbreitet, wobei die Flammenausbreitung in den weiteren Kanälen mit verhältnismäßig geringer Geschwindigkeit erfolgt, da sich in den weiteren Kanälen auch Restgas befindet. Die Erzeugung der Flammen fakkel beginnt somit unmittelbar, nachdem sich die Primärflamme bis zum frischen Gemisch im ersten Kanal ausgebreitet hat, und dauert an während der Zeit, die die Flamme zur Ausbreitung durch die weiteren Kanäle benötigt. Auf diese Weise ist eine verhältnismäßig lange brennende Flammenfackel erreicht, die besonderes zuverlässige Zündung und vollständige Verbrennung des Gemisches im Brennraum ermöglicht.

In vorteilhafter Ausbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß der auf der Flammenkanalachse liegende Kanal im wesentlichen koaxial zur Zündkerze verläuft, was an sich bei einer Zündkerze mit vorgesetzter Zündkammer bekannt ist (DE-PS 6 61 768).

Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine ausschnittsweise Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform, wobei die Zündkammer im Axialschnitt gemäß I-I in F i g. 2 dargestellt ist;

Fig.2 einen Querschnitt durch die Zündkammer gemäß II-II in Fig. 1;

Fig.3 eine ausschnittsweise Schnittdarstellung des Zylinderkopfes einer zweiten Ausführungsform mit einer abgewandelten Zündkammer, die im Längsschnitt gemäß II1-III in Fig. 4 dargestellt ist; und

Fig.4 einen Querschnitt durch die abgewandelte Zündkammer gemäß IV-IV in F i g. 3.

Im folgenden wird zunächst auf die Fig. 1 und 2 eingegangen, in den£sn eine erste Ausführungsform dargestellt ist. Diesfe erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine ist insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet und umfaßt einen Zylinderblock 12, in dem sich mehrere Zylinderbohrungen befinden, von denen lediglich eine Zylinderbohrung 14 dargestellt ist.

In der Zylinderbohrung 14 sitzt ein Hubkolben 16. Oben auf dem Zylinderblock 12 ist ein Zylinderkopf 18 befestigt, in dessen Unterseite eine Mulde 22 ausgebildet ist, die zusammen mit der Oberseite des Kolbens 16 einen Brennraum 24 begrenzt. Der Kolben 16 ist an seinem oberen Totpunkt dargestellt Im Zylinderkopf 18 ist ein Einlaßkanal 26 ausgebildet, dessen stromab gelegenes Ende in den Brennraum 24 mündet Im Zylinderkopf 18 sitzt hin- und herverschiebbar ein Einlaßventil 28 mit einem Ventilkopf 32, das in seiner Schließstellung dargestellt ist Das Einlaßventil 28 arbeitet mit einem Ventilsitz 34 zusammen und steuert die Verbindung zwischen dem Einlaßkanal 26 und dem Brennraum 24 auf bekannte Weise.

Im Zylinderkopf 18 befindet sich ferner eine im wesentlichen zylindrische Zündkammer 36, die mit dem Brennraum 24 über einen einzigen Flammenkanal 38 verbunden ist, der im wesentlichen koaxial zur Zündkammer 36 verläuft. Bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird die Zündkammer 36 von einem im wesentlichen napfförmigen. zylindrischen Einsatz 40 begrenzt, der aus Metall besteht und beispielsweise im Wachsausschmelzverfahren gegossen ist. Der Einsatz 40 umfaßt eine im wesentlichen zylindrische Umfangswand 42, einen inneren Zündkammerboden 44 mit verringertem Durchmesser sowie einen äußeren Zündkammerboden 46 mit einem radial nach außen ragenden Flansch 48. Im äußeren Zündkammerboden 46 ist e ne Öffnung 50 ausgebildet. Der Flammenkanal 38 befindet sich im inneren Zündkammerboden 44 des Einsatzes 40. Der Einsatz 40 ist in eine Durchgangsbohrung 52 im Zylinderkopf 18 eingesetzt und wird von einem Kerzenhalter 54, der in den Zylinderkopf 18 geschraubt ist, so in Stellung gehalten, daß der innere Zündkammerboden 44 des Einsatzes 40 im wesentlichen bündig mit der angrenzenden Fläche der Mulde 22 im Zylinderkopf 18 liegt. In den Kerzenhalter 54 ist eine Zündkerze 56 so eingeschraubt, daß die Elektroden 57 der Zündkerze 56 durch di?

Öffnung 50 im Zündkammerboden 48 des Einsatzes 40 ragen und sich in der Zündkammer 36 befinden.

Wie F i g. 2 am deutlichsten zeigt, befindet sich in der Zündkammer 36 ein im wesentlichen zylindrisches Wandteil 58, das seinerseits einen im wesentlichen zylindrischen inneren bzw. ersten Kanal 60 begrenzt. Das zylindrische Wandteil 58 und der innere Kanal 60 liegen im wesentlichen konzentrisch zur zylindrischen Umfangswand 42 des Einsatzes 40. Das zylindrische Wandteil 58 ist mit der zylindrischen Umfangswand 42 des Einsatzes über drei radial verlaufende Wandteile 62, 64 und 66 verbunden, die sich zwischen dem Wandteil 58 und der Umfangswand 42 erstrecken und voneinander geeignete Abstände haben. Die radialen Wandteile 62, 64 und 66 bilden zusammen mit der Umfangswand 42 der Zündkammer und dem zylindrischen Wandteil 58 seitliche Kanäle 68, 70 und 72, die sich im Umfangsbereich der Zündkammer befinden und von den radialen Wandteilen getrennt sind. Bei der dargestellten Ausführungsform sind die zylindrischen und radialen Wandteile 58, 62, 64 und 66 einstückig mit der Umfangswand 42 des Einsatzes 40 ausgebildet.

Aus Fig. 1 ist erkennbar, daß das zylindrische Wandteil 58 sich axial über die gleiche Länge erstreckt, wie die radialen Wandteile 62, 64 und 66. Diese Wandteile 58,62,64 und 66 sind in der Zündkammer 36 so angeordnet, daß die axial entgegengesetzten Enden der Wandteile Abstand von den entgegengesetzten Zündkammerböden 44 und 46 des Einsatzes 40 haben, so

daß zwischen den Zündkammerböden und den Enden der genannten Wandteile freie Räume 74 und 76 verbleiben. Der zylindrische innere Kanal 60 und die seitlichen Kanäle 68, 70 und 72 stehen daher über die entgegengesetzt liegenden freien Räume 74 und 76 in Verbindung miteinander. Der zylindrische innere Kanal 60 liegt im wesentlichen koaxial zum Flammenkanal 38 und zur Zündkerze 56. Der Innendurchmesser des inneren Kanals 60 ist etwas größer als der des Flammenkanals 38. Alternativ kann jedoch der Durchmesser des inneren Kanals 60 im wesentlichen gleich dem Durchmesser des Flammenkanals sein.

Während des Betriebes der Brennkraftmaschine wird das Einlaßventil 28 beim Ansaugtakt geöffnet, während der Kolben 16 nach unten läuft, so daß aus dem Einlaßkanal in den Brennraum 24 eine frische Ladung mageren Luft-Kraftstoff-Gemisches eingesaugt wird. Diese frische Gemischladung wird mit einer geringen Menge Restgas gemischt, das während des vorangehenden Verbrennungstaktes erzeugt worden ist und bis zum Beginn des Ansaugtaktes im Brennraum zurückgeblieben ist, so daß der Brennraum am Ende des Ansaugtaktes mit einer Ladung gefüllt ist, die im wesentlichen aus frischem Luft-Kraftstoff-Gemisch besteht. Wegen der Konstruktion der Zündkammer 36 wird diese während des Ansaugtaktes nicht gut gespült. Sie ist daher am Ende des Ansaugtaktes im wesentlichen mit Restgas gefüllt.

Während des Verdichtungstaktes bewegt sich der Kolben 18 nach oben, so daß sowohl die Gase im Brennraum 24 als auch in der Zündkammer 36 komprimiert werden. Da dabei das Volumen des Brennraumes 24 abnimmt, wogegen das Volumen der Zündkammer 36 unverändert bleibt, wird ein Teil des frischen Gemisches aus dem Brennraum 24 durch den Flammenkanal 38 in die Zündkammer 36 gedruckt. Ein wesentlicher Teil dieses Gemisches strömt durch den freien Raum 74 der Zündkammer 36 in den inneren Kanal 60 und wird vom zylindrischen Wandteil 58 zum anderen freien Raum 76 geleitet, so daß diese Gemischströmung die Restgase von den Elektroden 57 der Zündkerze weg in die seitlichen Kanäle 68, 70 und 72 bläst bzw. spült, was zur Folge hat, daß die Elektroden der Zündkerze danach von frischem Luft-Kraftstoff-Gemisch umgeben sind. Ein Teil des frischen Gemisches strömt in die seitlichen Kanäle 68, 70 und 72 und wird dort mit den Restgasen gemischt, so daß auch in den seitlichen Kanälen eine Schicht bzw. mehrere Schichten aus brennbarem Gas vorliegen.

Die Zündkerze wird dann elektrisch erregt, so daß sie eine Funkentladung erzeugt. Da sich in der Umgebung der Elektroden 57 frisches Luft-Kraftstoff-Gemisch befindet, wie vorstehend eriäuteri wurde, kann die Funkenentladung zuverlässig das Gemisch zünden, so daß im freien Raum 76 der Zündkammer 36 eine Primärflamme erzeugt wird. Diese Primärflamme breitet sich einerseits im frischen Gemisch im Innenkanal 60 mit sehr hoher Geschwindigkeit und andererseits auch zu den brennbaren Gasschichten in den seitlichen Kanälen 68, 70 und 72 aus. Die Flammenausbreitung in den seitlichen Kanälen erfolgt zuverlässig, jedoch mit einer verhältnismäßig geringen Geschwindigkeit da sich in den seitlichen Kanälen 68, 70 und 72 auch Restgase befinden.

Durch die Verbrennung in der Zündkammer 36 wird eine Flamme bzw. Flammenfackel erzeugt, die durch den Flammenkanal 38 in den Brennraum 34 ausbrennt Die Erzeugung der Flammenfackel beginnt unmittelbar.

nachdem sich die PrimäYflamme bis zum frischen Gemisch im inneren Kanal 68 ausgebreitet hat, und dauert an während der Zeit, die die Verbrennungsflamme zum Ausbreiten durch die seitlichen Kanäle 68, 70 und 72 benötigt, um die darin befindlichen Gase zu verbrennen. Die Zeitdauer von der auslösenden Funkenzündung des Gemisches bis zur Erzeugung der Flammenfackel im Brennraum ist sehr gering, während andererseits die Lebensdauer der Flammenfackel, d. h. der Zeitraum, während dessen die Erzeugung der Flammenfackel anhält, stark verlängert ist, was zu einer Erhöhung der Fackelenergie und somit der Fackelwirkung führt, so daß das magere Gemisch im Brennraum von der Fackel zuverlässig gezündet und mit hoher Brenngeschwindigkeit im Brennraum gleichmäßig und vollständig abgebrannt wird.

Es ist erkennbar, daß die Anordnung der Zündkerzenelektroden im inneren Bereich der Zündkammer in gewisser Entfernung vom Flammenkanal, wie dies beim beschriebenen Ausführungsbeispiel der Fall ist, günstiger ist als eine Anordnung an anderer Stelle. Diese Anordnung der Zündkerzeneleklroden ist aufgrund des zylindrischen Wandteiles 58 in der Zündkammer 36 möglich. Das zylindrische Wandteil 58 in der Zündkammer 36 verbessert die Zündbarkeil sowie die Fackelwirkung, wie dies vorstehend erläutert wurde.

Die Fig. 3 und 4 zeigen eine zweite Ausführungsform. Diese Brennkraftmaschine ist insgesamt mit dem Bezugszeichen 10a bezeichnet. Teile der in den F i g. 3 und 4 dargestellten Ausführungsform, die Teilen der ersten Brennkraftmaschine 10 entsprechen, sind mit gleichen, jedoch um »a« ergänztem Bezugszeichen versehen. Die Bicnnkrafimaschint 10a stimmt im Aufbau im wesentlichen mit der Brennkraftmaschine 10 überein, wobei die Unterschiede im wesentlichen in der Ausbildung des Einsatzes 40a bestehen, in dem sich die Zündkammer 36a befindet. Der Einsatz 40a hat einen rechtwinkeligen Querschnitt und umfaßt zwei Paare gegenüberliegender Seitenwände 42a-l. 42a-2, 42a-3 und 42a-4, wie dies am deutlichsten in F i g. 4 erkennbar ist. In der Zündkammer 36a ist ein Paar im wesentlichen paralleler Wandteile 58a-1 und 58a-2 vorgesehen. Diese Wandteile verlaufen zwischen den Seitenwänden 42a-3 und 42a-4 und verbinden diese miteinander. Ferner begrenzen die Wandteile 58a-l und 58a-2 zusammen mit den Seitenwänden 42a-3 und 42a-4 einen inneren Kanal 60a. Die Wandteile 58a-1 und 58a-2 verlaufen im wesentlichen parallel zu den Seitenwänden 42a-l und 42a-2 und begrenzen zusammen mit diesen zwei seitliche Kanäle 68a und 70a. Die Enden der Wandteile 58a-1 und 58a-2 haben von den gegenüberliegenden Zündkammerböden 44a und 46a der Zündkammer 36a einen gewissen Abstand, so daß zwischen den Enden der Wandteile 58a-l und 58a-2 einerseits und den Zündkammerböden 44a und 46a andererseits freie Räume 74a und 76a verbleiben, so daß der innere Kanal 60a und die seitlichen Kanäle 68a und 70a über die entgegengesetzt liegenden freien Räume 74a und 76a in Verbindung miteinander stehen. Der innere Kanal 60a fluchtet in Axialrichtung im wesentlichen mit dem Flammenkanal 38a im Zündkammerboden 44a sowie mit den Elektroden 57a einer Zündkerze 56a. Die Elektroden 57a der Zündkerze sind im freien Raum 76a der Zündkammer 36a angeordnet

Die Zündkammer 36a mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau arbeitet im wesentlichen in gleicher Weise wie die Zündkammer 36 der Brennkraftmaschine 10 gemäß dem ersten AusführungsbeispieL

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Ventilgesteuerte, mit Fremdzündung und Gemischverdichtung arbeitende Brennkraftmaschine mit im Zylinderkopf eingesetzter Zündkammer, in die frisches Gemisch durch einen Flammenkanal derart zur in dem dem Flammenkanal gegenüberliegenden Zündkammerboden angeordneten Zündkerze geführt ist, daß der Bereich der Zündkerzenelektroden von Abgasresten befreit und vom Gemisch umlagert ist, wobei zur Führung in der Zündkammer wenigstens ein Wandteil ausgebildet ist, durch das das Gemisch kanalartig auf die Zündkerze gelenkt ist, und daß das Gemisch nach Zündung fackelartig in den Brennraum ausbrennt, dadurch gekennzeichnet, daß mittels weiterer Wandteile (62, 64₃ 66,58a-l, 58a-2) Kanäle (68, 70, 72, 68a, 70aj derart geschaffen sind, daß zwischen den Stirnseiten der Wandteile und den Zündkammerböden (44, 46, 44a, 46aJ freie Räume (74, 76, 74a, 76a) verbleiben, und daß ein Kanal (60¹,60a) in der Flammenkanalachse liegt.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, bei der die Zündkammer einen im wesentlichen zylindrischen Querschnitt hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandteile ein im wesentlichen zylindrisches Wandteil (58), das in der Zündkammer im wesentlichen konzentrisch zu deren Umfangswand (42) angeordnet ist und den auf der Flammenkanalachse liegenden Kanal (60) umgibt, sowie zumindest ein zwischen der Umfangswand der Zündkammer und dem zylindrischen Wandteil verlaufendes radiales Wandteil (62, 64, 66) umfassen, das zusammen mit dem zylindrischen Wandtei! und der Umfangswand der Zündkammer einen in Umfangsrichtung unterbrochenen Kanal (68,70,72) begrenzt.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündkammer (36a,)einen im wesentlichen rechtwinkeligen Querschnitt hat und daß die Wandteile zwei im wesentlichen parallele Wandteile (58a-l, 58a-2) umfassen, die zwischen zwei gegenüberliegenden Seitenwänden (42a-3, 42a-4) der Zündkammer verlaufen und mit diesen den auf der Flammenkanalachse liegenden Kanal (6OaJ bilden und ferner zusammen mit den beiden anderen Stirnwänden (42a-1, 42a-2) der Zündkammer zwei seitliche Kanäle (68a, 7OaJbegrenzen.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der auf der Flammenkanalachse liegende Kanal (60, 6OaJ im wesentlichen koaxial zur Zündkerze (56, 56aJ verläuft.